Enkel voor klasgebruik. ~~ Instelregels

Transcriptie

1 NSTELREGELS ~~ nstelregels De talrijke firma's die regelapparatuur maken, hebben in de loop der jaren een enorme ervaring opgebouwd inzake het optimaal aanpassen van de regelaar aan het proces. Hieruit zijn regels en procedures gegroeid om zonder veel problemen tot de juiste instelling van de regelparameters te komen. Sommige van deze procedures zijn echte klassiekers geworden, andere zijn minder gekend maar daarom niet minder interessant. Twee elementen hebben het opstellen van veel afregelmethoden gunstig beïnvloed: het standaardiseren van de procesketen en de hieruit ontstane mogelijkheid processen te simuleren door eenvoudige elektronische schakelingen met Re-netwerken. Men kan zonder al te veel technologische rompslomp alle mogelijke instellingen van k R, T n en Tv testen in functie van de procesparameters T en Td' We zijn gaan grasduinen bij diverse firma's en bij wereldbekende auteurs, en hebben een verzameling van afregelmethoden hier samengebracht. Misschien kan een van deze regels u ooit helpen om een gesloten regelkring optimaal in te stellen. nhoud 1. nstelregels als procesparameters gekend zijn.. nstelregels als procesparameters niet gekend zijn. 3. nstelregels van niet-zelfregelende processen. 4. Afregelprocedure van Taylor. 5. Probeer- en veriijnmethode. 6. Afregelvoorstellen volgens Leeds & Northrup. 7. nstelvoorschriften van Foxboro. 8. nstelvoorschriften volgens Pressier. 9. nstelvoorschriften volgens Schäfer. 10. nstelvoorschriften voor processen zonder zelfregeling. 11. nstelvoorschriften voor processen van hogere orde. 1. Engelse woordenlijst. 13. Zelf instellende regelaars. 14. Opdrachten. 185

2 NSTELREGELS 1. nstelregels als procesparameters gekend.zijn Tabel 11.1 : nstelparameters voor een zelfregelend proces van 1- en -orde met een dode tijd. k R Tn T(,) Tv (T D ) Bij het doornemen van de instelwaarden in tabel 11.1 horen de volgende 1 T beschouwingen: P ks T d 1. Het criterium dat hier wordt toegepast, 0,9 T steunt op het feit dat met de instelling van P 3,3 T d k de regelaar het uitregelen gebeurt met s T d maximaal drie doorslingeringen in de responsie op een storing. ~ T PlO T d 0,5 T d k s T d. Bij een juist gestandaardiseerd proces is k s = 1. PO ~.L - 0,5... 0,5 T k. T d H&B s d 3. Bij het kiezen van een versterking k R van de regelaar maken we het volgende k R versterking van P-regelaar. onderscheid: k s = versterking van proces. a. P t.o.v. P T tijdconstante van proces. k R moet kleiner gekozen worden omdat T d = dode tijd van proces. het toevoegen van de -actie de Tn, T, na-insteltijd - reset time oscilleerneiging vergroot. = Tv, T D = voorinsteltijd - rate time b. PlO t.o.v. P k R mag groter gekozen worden omdat het toevoegen van de O-actie, de oscilleerneiging toch gedempt wordt. 4. Merk ook op dat de verhouding TnlTv = 4. Deze orde van grootte van de verhouding TnlT v is meestal terug te vinden bij instelvoorschriften van regelaars. 5. Bovenstaande instelvoorschriften moeten als richtwaarden beschouwd worden om een eerste orde van grootte van de instelparameters te kunnen bepalen. Men mag zeker niet denken dat men in alle situaties hiermee onmiddellijk een optimaal uitregelen bekomt. De omstandigheden waarin bovenstaande instelregels werden gevonden zullen zelden identiek zijn met deze in het proces waarmee men bezig is. Een eindcontrole en eventueel bijstellen van de parameters is dus zeker nodig. n die gevallen waar de verhouding.l kleiner wordt dan 3, wordt bij H & B naregelen aanbevolen. T d nderdaad, de oscilleertendens wordt sterker zodat meestal de demping moet toenemen. 6. Zijn de regelknoppen geijkt in PB % en r (reset ratel dan geldt: en Opmerking: n de praktijk zijn de procesparameters meestal niet voldoende gekend. Toch is het om didactische redenen zinvol bovenstaande instelmethode te bespreken om een beter inzicht te verwerven in de nu volgende afregelprocedures. 186

3 NSTEL REGELS. nstelregels als procesparameters niet gekend zijn Als de procesparameters niet gekend zijn, maakt men vaak gebruik van de instelregels van Ziegler-Nichols. Deze regels zijn internationale bestsellers en zijn bovendien eenvoudig uit te voeren. Omdat de parameters van het proces niet gekend zijn laat men de regelketen vrijwillig oscilleren Uit deze OSClleergegevens hebben Ziegl~r en Nichols een verband gelegd met de regelparameters voor ~en optimaal ultregelen na een stonng. Alles S langs experimentele weg gebeurd. Tabel 11. nstelparameters van Ziegler-Nichols voor processen van 1- en -orde met dode tijd. k R T n (T) Tv (To) P 0,5. ka P 0,45. ka Ta - 1, Ta Ta PD 0,6. ka - 8 Werkwijze: 1. De regelkring wordt eerst alleen met de P-regelaar gebruikt. dus T n = 00 Tv = 0. De versterking k R wordt langzaam vergroot of PB% wordt verkleind tot de hele regelkring met een constante amplitude oscilleert. 3. De versterking om deze oscillatie te veroorzaken, lezen we af op de instelknop en we noemen deze waarde: ka of de versterking bij het oscilleren. 4. Op de penrecorder die de oscillerende waarde x geregistreerd heeft, lezen we de periode van de oscillatie af. We noemen deze periode: Ta of periode bij oscilleren. 5. n functie van deze twee waarden ka en Ta worden de parameters van de regelaars afgesteld zoals in tabel 11. getoond wordt. 6. Achteraf is een nacontrole en bijstellen van de parameters nodig. Opgepast: n veel gevallen mag om veiligheidsredenen de regelkring niet in de oscilleersituatie gebracht worden. Proceswaarde en instelwaarde mogen daar niet buiten een bepaalde zone komen. n die gevallen is deze methode niet te gebruiken. 187

4 NSTEL REGELS 3. nstelregels voor niet-zelfregelende processen De instelvoorschriften van H & B voor processen met integratie zijn weergegeven in tabel Tabel 11.3 : nstelparameters voor H & B k R 1 Tn Tv fy, 1 P 0,5.-- t k" Td X X 1 PD 0,5.-- 0,5. T d k, " T d 1 P 0,4.-- 5,8. T d k, " T d Y, --y, = k l. t T d t' 1 PD 0,4.-- 3, T d 0,8 T " - d k" Td Fig Constructie raaklijn aan stapresponsie. n de formules van tabel 11.3 zien we een parameter kt opduiken. De fabrikant H & B gebruikt deze parameter als karakteristiek gegeven voor het proces. Trekken we een raaklijn aan de grafiek van fig dan kan voor deze raaklijn geschreven worden: x - = k" t Y, Hierin stelt k, de helling van de grafiek voor terwijl we de dode tijd T d als vertrekpunt nemen. Werkwijze: 1. Uit het stapantwoord moet eerst deze helling k, bepaald worden zoals aangeduid in fig k _ x' y, 1- r Voorbeeld We nemen aan dat in fig y, = 10% van de totale verstelling van de instelwaarde (Yh). Na een tijd r = minuten bereikt x' 30 % van het totale meetbereik (X m = 100 %). x' 30 Vandaar: - = - = 3 Yl 10 Hieruit volgt: k, = ~ = 1,5 per minuut.... Let ook hier op de verhouding TnlT v = 4 bij de PlO regelaar. Blijkbaar wordt dus met deze verhouding een optimaal resultaat behaald. 3. Ook hier zijn de aangehaalde waarden richtinggevend. i'jacontrole en bijstellen blijft dus noodzakelijk. 188

5 NSTELREGELS 4. Afregelprocedure van TAVLOR P(min) A B moet =4 Fig. 11. Afregelen volgens een demping 4/1 De afregelprocedure van deze firma laten we vrijwillig staan in de originele Engelse tekst. Dit om u vertrouwd te maken met de Engelse terminologie in de regeltechniek. We zullen vlug ervaren dat we in staat zijn teksten van firma's te begrijpen met de technische achtergrond die we nu verworven hebben. (woordenlijst: blz. 01) 4.1 Only P-controller (P-regelaar met voorinstelling) 1. Put process on manual control as described.... Bring process up to desired value by means of manual contro!. 3. Pull controller slide out to make response adjustments, make following setting: a. Reset at lowest setting (T n = 00) (r = 0) b. Pre-act at "oft" (Tv = 0) c. Gain at Adjust set-point for same value as process. Deviation meter pointer should read zero deviation. 5. Put Auto-manual switch in AUTO position. 6. Move set-point approximately one small division either up or down. 7. The recorder oscillation (as a result of the set-point change) should be similar to that shown in the fig. 11., with cycle B about one-quarter of cycle A. a. f cycle Bis less than one-quarter of cycle A, the gain is to low. ncrease gain setting by one step and move set-pointer back to its original position. b. f cycle B is more than one-quarter of cycle A, gain is to high. Decrease gain setting by one step and move set pointer back to its original position. c. Continue adjusting gain and moving set-pointer until the cycles look like shown in the fig controller has two responses, reset and gain (P- en -actie) 1. Set reset at a value equal to: 1.0 divided by period (P) in minutes.. repeat steps 6 and 7 to get optimum gain. reset = 1_ (see figure) (T n = P(min)) P(min) controller has three responses: reset, gain, pre-act (PlO) 1. Set reset at: reset = ~ P(min) P(min). Set pre-act at: pre-act = Repeat steps 6 and 7 to get optimum gain. Algemeen besluit: Eigenlijk is dit een kleine variante van de oscilleermethode van Ziegler-Nichols. Het verschil ligt hierin: men laat hier de oscillerende beweging uitsterven. Vooral in die gevallen waar een blijvende oscillatie niet toelaatbaar is, kan deze methode een oplossing zijn. 189

6 NSTELREGELS 5. Probeer- en verlijnmethode Deze procedure is beter gekend onder haar Engelse benamingen: trial and error; seath-of-the pants; knob twiddling. Door aan de juiste knop een opeenvolging van standen te geven ondergaat de penrecorder een reeks uitwijkingen. Hieruit kan men oordelen of de regelactie te groot of te klein is. Men herneemt deze methode tot men de gewenste uitregeling verkrijgt. Wordt de kring voor de eerste keer ingeschakeld, zet de regelaar op MAN en zorg met y dat x gelijk wordt aan w. 5.1 Probeer- en verfijnmethode voor de P-actie ~ 1 e klein e klein te klein e groot ~ _-11 :: k R O,8 1,6 3, 4 4,4 4,8 6,4 ~.,.. te klein : ' te groot 1 l..._---f ~ goed Fig Opeenvolging van standen van k R en uitwijking van penrecorder. n fig zien we een voorbeeld van een opeenvolging van standen van k R bij een P-regelaar. Op de penrecorder wordt beoordeeld of de "gain" te groot of te klein is. We trachten de kracht van de P-regelaar zo in te stellen dat de reactie van de proceswaarde op een verandering van de set-point, verloopt volgens een gedempte oscillerende beweging met een demping 4: 1 of volgens een demping naar eigen wens of behoefte. Werkwijze: 1. Plaats de P-actie op bijna minimale kracht terwijl 1- en D-actie uit staan (T n = 00, Tv =0) k R zeer laag, bijvoorbeeld rond 1 (in de figuur b.v. k R = 0,8) PB zeer hoog, bijvoorbeeld rond 100 %.. Plaats de regelaar in de stand AUT, laat x tot rust komen. 3. Veroorzaak een kleine verandering in de set-point waarde (lager dan 10 %) en observeer de beweging van de proceswaarde op de penrecorder. (de toelaatbare stap in % moet afgesproken worden met de verantwoordelijke in de productie). 4. Normaal zal de beweging naar de nieuwe set-point te gedempt verlopen. De versterking is te klein of de PB te groot. Verdubbel de versterking. Herstel de oorspronkelijke set-point, laat het proces tot rust komen en veroorzaak een nieuwe sprong van de setpoint. Observeer opnieuw de beweging op de recorder. (kr = 1,6) 5. s de versterking nog te klein, verdubbel weer en herneem de procedure (kr =3,). 6. Doe zo verder tot de versterking te groot is. De proceswaarde verloopt dan volgens een te sterke oscillatie. (b.v.: k R = 6,4). 7. Plaats de versterking nu in het midden tussen de twee laatste waarden. Herneem de procedure. (kr =4,8) a. is de versterking nog te groot: verklein k R (b.v. : k R = 4) b. is de versterking te klein: verhoog k R (b.v. : k R = 5,6) Zorg er steeds voor niet in een voorgaande instelling te komen. 8. Doe zo voort tot de gewenste uitregeling bekomen wordt. Opmerking: Als in stap 4, k R reeds te groot is: zet k R op de helft en vervolg de procedure. 190

7 NSTEL REGELS 5. Probeer- en verfijnmethode voor de D-actie te klein te klein te groot r ~ ~ ,.. ~ i:: ~ _ 0, 0,4 0,8 1,6,4,8 3, mln ~ ~. ~., ~,8 te klein i t'"'ot-----t! ,4~3 J goed i 0,1 10 min n fig is een voorbeeld gegeven van een opeenvolging van standen van Tv. Op de penrecorder wordt beoordeeld of de D-actie te groot of te klein is. Werkwijze: 1. Regel de kring eerst juist af met de P-regelaar. De 1- en D-actie zijn uitgeschakeld. Fig Opeenvolgende stappen voor het afstellen van de D-regelaar.. Plaats de D-actie op iets hoger dan de minimum kracht, b.v. Tv = 0, min, zoals in fig is weergegeven. 3. Zet de regelaar in de stand AUT. 4. Verander de set-point met een stap. Observeer het procesantwoord op de penrecorders. 5. Normaal zal nu de invloed van de D-actie te klein zijn. Het antwoord zal weinig of niet verschillen van het antwoord bereikt met de P-regelaar. De demping is te klein. 6. Verdubbel de kracht van de D-actie (b.v. 0,4). Herhaal de procedure tot een punt bereikt wordt (b.v. Tv = 3, min.) waarbij de demping te sterk wordt. (Tv is te groot) 7. Verminder nu Tv en plaats deze in het midden tussen de twee laatste instellingen. Herneem de procedure. a. s Tv te groot, maak Tv iets kleiner. b. s Tv te klein, maak Tv iets groter. Zorg er steeds voor niet in een voorgaande instelling te komen. 8. Doe zo voort tot de gewenste uitregeling bekomen wordt. Het procesantwoord moet nu een kleinere uitregeltijd hebben en een kleiner doorschot voor de eerste uitwijking. Opmerking: Als in 5, de D-actie reeds te groot is, plaats Tv op de helft en vervolg de procedure. Bij een te krachtig ingestelde D-actie kan met specifiek moeilijke processen de kring ook gaan oscilleren. Dit is te herkennen aan de kleinere periode of hogere frequentie. 9. Omdat we weten dat het toevoegen van de D-actie de oscilleertendens dempt kunnen we teruggaan naar de P-actie, deze iets sterker instellen (10,... 0 %) en opnieuw de procedure van de D-afregeling hernemen. 10. Als de toevoeging van de D-actie de kring onmiddellijk onrustig maakt of op een hogere frequentie doet oscilleren, laat dan de D-actie weg. 191

8 NSTELREGELS 5.3 Probeer- en verfijnmethode voor de -actie te groot -... i te grool , min ~ f----;--..~ te groot e klein Tn te graal = -actie te klein ~ goed 0,1 40min Fig Opeenvolgende stappen voor het afstellen van de -regelaar. n fig is een voorbeeld gegeven van een opeenvolging van standen van T n. Op de penrecorder wordt beoordeeld of de -actie te groot of te klein is. Werkwijze: 1. Regel eerst de P- en eventueel de D-actie juist af.. Plaats de -actie op iets hoger dan minimum kracht (T groot) (b.v.: T = 30 min). n n 3. Plaats de regelaar op AUT. 4. Verander de set-point met een stap. Observeer het procesantwoord op de penrecorder. 5. Normaal zal de invloed van de -actie te klein zijn. De blijvende afwijking (oft-set) zal te langzaam tot nul herleid worden. 6. Verminder T n met de helft. Herhaal de procedure tot een instelling bereikt wordt waarbij T n te klein is. De 1 actie is te groot. Dit kan herkend worden aan een sterkere oscillerende tendens, met een grotere periode of lagere frequentie. (b.v.: T n = 8 min.) 7. Maak T n groter en plaats de knop in het midden tussen de twee laatste standen. Herneem de procedure. a. s T n te klein, vergroot T n. b. s T n te groot, verklein T n. Zorg er steeds voor niet in een voorgaande instelling te komen. 8. Het toevoegen van de -actie doet wel de blijvende afwijking verdwijnen, maar verhoogt de oscilleerneiging. We kunnen daarom teruggaan naar de P-actie, deze enkele % terugstellen, de D-actie enkele % sterker instellen en de instelling van de -actie hernemen. Opmerkingen: Als in 5 de -actie reeds te groot is, dus T n te klein, vergroot T n en vervolg de procedure. De praktijk heeft uitgewezen dat bij een PlO-regelaar een gunstige instelling bekomen wordt als Tn "" 4. Tv Algemeen besluit: Deze afregelmethode is omslachtig en duurt veel te lang als we te maken hebben met processen met tijdscontanten van tientallen minuten. 19

9 NSTELREGELS 6. Afregelvoorstellen volgens LEEDS & NORTHRUP Bij deze firma vinden we een merkwaardige maar toch praktische en leerzame werkwijze. Over het criterium van uitregelen wordt niet gesproken. De firma laat dit over aan de beoordeling van de lezer zelf, afhankelijk van de eisen gesteld in het proces. We geven hier een beknopte vertaling van deze afregelprocedure. 6.1 Procedure voor de P-actie Temperatuur Temperatuur a a: PB te groot Fig Stapresponsies bij belaslingsverandering. b c Fig Stapresponsies bij verandering van gewenste waarde. b c b: PB te klein c: PB is goed Bovenstaande figuren stellen de stapresponsies voor van een temperatuurregeling voor de beoordeling van de P-regelaar. n fig zijn de stapresponsies weergegeven bij een plotse verandering van het verbruik. Deze belastingsverandering komt in feite neer op een storingsgedrag. n fig zijn de stapresponsies weergegeven op een verandering van de gewenste waarde. Werkwijze: 1. Plaats de D-actie en -actie op minimum kracht. (Rate dial to zero, reset dial to 0.03 rep/min), auto-manual switch op AUTO.. Begin met een relatief hoge waarde voor PB (50% voor temperatuurregelingen). 3. Verminder de proportionele band tot de proceswaarde oscilleert. Het is aan te bevelen de gewenste waarde met kleine sprongen te veranderen met de bedoeling de tendens tot oscilleren te starten. 4. Zodra een oscillatie volstaat, noteert men dadelijk de periode of frequentie van de oscillatie. 5. Verbreed langzaam de PB door het verzwakken van de P-actie tot het oscilleren ophoudt. Het effect van verschillende waarden van de PB zien we in bovenstaande figuren. Opmerking: Als men in stand AUT de PB verandert dan moet men zich goed realiseren dat hierdoor de uitgang van de regelaar met een sprong verandert, dus ook de procesinput zodat ook de prqceswaarde op de penrecorder hierop reageert. Als men achteraf de recorderaantekeningen leest, moet men goed onderscheid maken tussen de reacties veroorzaakt door het veranderen van de PB, en deze (die ons eigenlijk aanbelangt) veroorzaakt door veranderen van de set-pointwaarde. Vergissingen kan men vermijden door het volgende te doen: a. na het veranderen van de PB wacht men voldoende lang tot de proceswaarde tot rust gekomen is. b. Men kan ook overgaan op manueel, dan de PB veranderen en terug overgaan op AUT. n moderne regelaars is de omschakeling AUT --+ MAN en MAN --+ AUT "stootvrij" (bumpless). Bij omschakelen wordt YMAN steeds gelijk gehouden aan YAUT. 193

10 NSTELREGELS 6. Procedure voor de O-actie in PO-regelaar Temperatuur Temperatuur a a: PB te groot T, te groot b b: PB te klen c c c: PB is goed T, is goed Fig Stapresponsies bij bejastingsverandering. Fig Stapresponsies bij verandering van de gewenste waarde. n bovenstaande figuren zijn de stapresponsies van een temperatuurregeling weergegeven voor de beoordeling van de O-actie in de PO-regelaar. Fig geeft de responsies bij een belastingsverandering terwijl 11.9 de responsies voorstelt bij een verandering van de gewenste waarde. Werkwijze: 1. Stel de O-actie in op minimumkracht. Bijvoorbeeld op 0,01. (min.). Om het effect van deze instelling na te gaan, veroorzaakt men kleine stapsprongen met de set-pointwaarde. Als nu reeds oscillerende reacties optreden die een hogere frequentie hebben dan deze veroorzaakt door de P-regelaar met een te smalle band, dan is het proces niet geschikt voor een O-actie. Zet de knop op zero en ga verder met de -actie. Vergewijs u ook of er andere regelingen in hetzelfde proces voorkomen. Een O-actie kan krachtige veranderingen veroorzaken op de inputwaarde van het proces (y). Het kan zijn dat die andere regelingen hierdoor ernstig gestoord worden. Ook in dat geval mag geen O-actie gebruikt worden.. Zijn de hierboven aangehaalde bezwaren niet aanwezig, verhoog dan progressief de voorinsteltijd (of rate time) Tv. Veroorzaak kleine sprongen in het proces om telkens het resultaat van deze instellingen te zien. 3. Normaal veroorzaakt het toevoegen van de O-actie een demping op de beweging van de proceswaarde, zodat de PB iets kleiner mag worden ingesteld. (P-actie iets krachtiger). 4. Observeer nauwkeurig de bewegingen op de penrecorder. Noteer de frequentie of periode van elke eventueel optredende oscillatie. Een oscillatie met ongeveer dezelfde frequentie als deze die optreedt bij een afregeling van de P-regelaar, wijst op een te kleine PB, zodat deze verhoogd moet worden. Een oscillatie die duidelijk sneller is, wijst op een te krachtige O-actie, de voorinsteltijd is te groot en moet dus verkleind worden. Nogmaals: normaal zal een te krachtige O-actie te sterk dempen. Maar in de processen waar hierdoor oscilleren ontstaat, moet de O-actie afgezwakt worden, of eventueel weggelaten worden. De bovenstaande figuren tonen enkele reactiecurven bij enkele uiterste waarden van PB en Tv. 194

11 NSTELREGELS 6.3. Procedure voor de -actie in P- en PlO-regelaar Temperatuur P - control Temperatuur PD-control a á: reset too slow a a: rale too slow +-_..., ::~ (time too long """"' (rale time 100 short) t r too high) b b. reset too last b b' rate too last +-o;;;;:;"...-;---r-"t-----:;-r~~-- t (time too short + (rate time too long) r too slow) '\ t c c: reset correct c c: rate correct Fig Stapresponsies van de P-regelaar. Fig Stapresponsies van een PlO-regelaar. Bovenstaande figuren zijn de stapresponsies van een temperatuurregeling bij een belastingsverandering. Fig toont de stapresponsies voor de beoordeling van de -actie in de P-regelaar. Fig toont de stapresponsies voor de beoordeling van de O-actie in de PlO-regelaar. Werkwijze: 1. Nadat PB en de voorinsteltijd (rate time) zijn ingesteld, moet de automatische reset (automatisch herleiden van de blijvende afwijking naar nul - -actie) in de regeling ingevoerd worden.. Men wenst een instelling van de reset rate (r = J.- repeats per minute) die zo groot is dat het proces nog T net niet instabiel wordt, maar zo snel mogelijk naarde gewenste waarde gaat na een stapsprong. 3. Wees er van bewust dat als de reset rate (r) verhoogd wordt (krachtiger -actie) de stabiliteit van de regel kring vermindert. 4. n het algemeen zou het product reset rate X rate time de waarde 1 niet mogen overschrijden dus: Tv T n r. Tv < 1 (of - < 1 of - > 1) T n Tv Opmerking: n voorgaande instelvoorschriften wordt een goede instelling voorspeld als T n "" 4 Tv 5. Wordt de reset rate (r) verhoogd, (-actie sterker), observeer nauwkeurig het procesantwoord na een stapsprong. Het optreden van een oscillerende tendens met een periode die groter is dan deze veroorzaakt door een te smalle PB, wijst op een te sterk ingestelde -actie. Deze moet dan verminderd worden. Bovenstaande responsies ontstaan bij extreem ingestelde waarden voor de 1- en de O-actie. Algemeen besluit: De instelprocedure van de firma LEEOS & NORTHRUP is zeer algemeen gehouden en is dus geen stapvoor-stap afregelprocedure. De beoordeling van de uitregelkwaliteit laat de auteur over aan de lezer. Wel wordt verondersteld dat de invloed van de instelknoppen (Xp, r, Tv) in de gesloten kring goed gekend is. Specifiek voor deze firma is de bemerking r. Tv <

12 NSTELREGELS 7. nstelvoorschriften van FOXBORO We nemen deze voorschriften letterlijk over. Zo bekomen we een goed inzicht hoe deze firma haar klanten voorlichting geeft inzake afregelen. (woordenlijst: blz. 01) ntergral Dial T n 0.01 to 0.6 min/repeat (x1) 0.1 to 6.0 min/repeat (x1 0) 1.0 to 60 min/repeat (x1 00) High Output Limit Adjustment 6 (@ 0 Derivative Dial Tv 0.01 to 0.6 min (x1) 0.1 to 6.0 min (x1 0) 1.0 to 60 min (x1 00) Proportional Band Dial % to 500% Low Output Limit Adjustment (zie woordenlijst blz. 01 ) High Output Limit Test Point Deviation Readout ncrease-decrease Switch Low Output Limit Test Point Output Test Point Fig Als men de slede van de regelaar uittrekt, vindt men de afregelpunten (FOXBORO) Proportional Plus ntegral Controller Measurement Set point Output 1. With transfer switch in MANUAL, set Proportional Band dial to maximum or to a safe high value. Turn ntegral dialto maximum clockwise posilion.. Adjust set point to equal measuremenl. Move transfer switch to AUTO. 3. Make a small step change (approximately 5 %) in set point, upscale or downscaie. Observe measurement on measurement indicator or an external recorder. 4. f cycling does not occur, adjust Proportional Band to half of previous value. 5. Repeat Steps 3 and 4 until cycling is observed. ncrease Proportional Band to twice its last value. 6. With transfer in AUTO adjust the ntegral dial to half of previous value. 7. Make a small step change (approximately 5%) in set point, upscale or downscaie. Observe measurement on measurement indicator or an external recorder. 8. f cycling does not occur, repeat Steps 6 and 7 until cycling is observed. Adjust the ntegral dialto twice its last value. oto 10 volt dc oto 10 volt dc oto 10 volt dc Proportinal Plus ntegral Plus Derivative Controller 1. With transfer swith in MANUAL, set Proportional Band dial to maximum or to a safe high value. Turn ntegral dialto maximum clockwise posilion.. Turn Derivative to safe low value. 3. Adjust set pointto equal measuremenl. Move transfer switch to AUTO. 4. Make a small step change (approximately 5 %) in set point, upscale or downscaie. Observe measurement on measurement indicator or an external recorder. 5. f cycling does not occur, adjust Proportiona!. ncrease Proportional Band to twice its value. 6. Repeat Steps 4 and 5 until cycling is observed. ncrease Proportional Band to twice its value. 7. With transfer switch in AUTO, adjustthe Derivative dial to twice its value, 8. Make a small step change (approximately 5%) in set point, upscale or downscaie. Observe measurement on measurement indicator or an external recorder. 9. f cycling does not occur, repeat Steps 7 and 8 until cycling is observed. Adjust the Derivative dial to half the last value, 10. Adjust ntegral dial to a setting equal to the Derivative dia!. Opmerking: Met regel 10 van de PlO-afstelling hebben we wel even moeite. Bij alle andere tot nu toe behandelde voorstellen vinden we Tn"" 4 Tv. Wel zegt LEEDS & NORTHRUP dat Tnl Tv >

13 NSTELREGELS 8. nstelvoorschriften volgens Pressier 10 P-regelaar Á J re5pon~ie op 8 stormg 6 4 / P aclie /v,,,' respons.e op -- ~.1.w-verandering /.,"",," ~.l Td Tn Td 10 8 /' /" 6 l-acllc 4 R./' l-,/ T Td Fig Grafisch verband tussen regel- en procesparameters bij P-regelaar volgens PRESSLER PD-regelaar 8 / 6 4 f/ //,?, ~... / / P-se!l. T o r. Tn fd 10 8,.' ~' 6, -ootie 4.-".;" T o r;; 0,4 k::-:: ~- l- f/~ 0, / - o D-aclle T r;; Fig Grafisch verband tussen regel- en procesparameters bij de PD-regelaar volgens PRESSLER Gerard Pressier heeft samen met nog andere medewerkers van de firma H & B rond de jaren '60 uitgebreide studies verricht i.v.m. optimaal instellen van regelaars. Een typische eigenheid van zijn studies is de manier waarop hij de afhankelijkheid van de regelparameters en deze van het proces heeft voorgesteld in grafieken. Als men ermee kan werken, zijn ze erg handig. Bij het interpreteren van de grafieken in fig en maken we vooraf de volgende beschouwingen. De regelaar wordt afgesteld volgens het criterium van het absolute regeloppervlak. De auteur maakt bovendien onderscheid tussen het gedrag bij verstellen van de gewenste waarde, en het gedrag bij een storing. De volle lijnen geven in de grafieken de goede instelling op een storing; de streeplijnen zijn de juiste instellingen voor het verstellen van de gewenste waarde. Een gunstige instelling voor het ene is dus niet noodzakelijk een gunstige instelling voor het andere antwoord. De versterking voor een gunstig storingsgedrag moet hoger worden ingesteld dan bij het antwoord op verstellen van de gewenste waarde. Hierbij moeten we toch de opmerking maken dat in de praktijk de storing zich op diverse plaatsen in het proces kan manifesteren, waardoor de reactie van het ene proces vergeleken met een ander nogal verschillend kan zijn. Het storingsgedrag laat zich dus moeilijk via een simulatie veralgemenen, zodat na deze instelvoorschriften het toch nog aangewezen blijft manueel bij te regelen. Opvallend is het verschil van de instelling van de 1 regelaar bij storingsgedrag en het verstellen van de gewenste waarde. Voor de instelling van de D-regelaar blijkt er dan weer weinig verschil te bestaan voor beide sprongantwoorden. Afregelprocedure : 1. Stapantwoord opnemen van het proces, in open kring.. Bepaal op de grafiek de procesparameters. 1. kso (bij een standaardproces : ks = 1). T tijdconstante 3. T d dode tijd. 3. Bepaal de verhouding T T d 4. Lees op de karakteristieken de volgende waarden af'. k R' k s ~ waarui't k R T n T d Tv T d waaruit T n => waaruit Tv 197

14 NSTELREGELS 9. nstelvoorschriften volgens Schäfer P-regelaar PD-regelaar responsie op een storing responsie op een storing responsie op veranderen van set-point responsie op veranderen van set-point Tn Td 10 //,'" 8,,/,/ " / 8, / ~.";",~ 6 6,'/ "y"" 4 -actie 4, -actle ~' // ~ V #' ~~, -~ V o Tn Td 10 Fig Grafisch verband tussen regelparameters en procesparameters bij P-regelaar volgens Schäfer 0,6,,- / /' o ~ ':::'" ,4 1::::"--.h-11"- 0, Fig Grafisch verband tussen regelparameters en procesparameters bij PlO-regelaar volgens Schäfer o V, D-ache Op analoge wijze als Pressier hebben Chien, Rhones en Reswick experimenten uitgevoerd op gesimuleerde processen. Ze zijn achteraf door Schäfer hernomen en aangepast. Zijn besluiten zijn grafisch weergegeven in bovenstaande figuren en De volle lijnen zijn de instellingen van een goede responsie op een storing. De streepjeslijnen zijn de instellingen voor een goede responsie op het verstellen van de gewenste waarde. Ook hier is een gunstige instelling voor een storingsantwoord verschillend van de instelling bij het verstellen van de gewenste waarde. De dikke lijnen stellen de instelvoorschriften voor van Schäfer om een sterker gedempt uitregelen te bekomen met minimaal doorschot. De dunne lijnen zijn de voorschriften volgens de voorgaande methode van Pressier met het criterium van het absolute regeloppervlak. Zo kunnen we een vergelijking maken tussen beide instelvoorstellen. Het is natuurlijk duidelijk dat om een grotere demping in het uitregelen te bekomen, hetgeen de bedoeling was van Schäfer, de versterking van de P-regelaar kleiner moet gekozen worden. Schäfer heeft T n iets groter ingesteld (zwakkere -actie) terwijl Tv eigenaardig genoeg kleiner gekozen is. De grotere demping werd dus hoofdzakelijk gerealiseerd door een kleinere k R en een grotere T n. Afregelprocedure : Voor de afregelprocedure kan dezelfde volgorde gebruikt worden als deze beschreven op de vorige bladzijde. 198

15 10. nstelvoorschriften voor processen zonder zelfregeling [, , PD-rege aar P-regelaar 5 5 \ 0 5 \ P-aclie 15 P-aclie \ 10 \ 5 5 \ " "- i'oo.. Tn r-- 0, 0,4 0,6 Td , 0,4 0,6.. -ac ie 0, 0,4 0,6 -actie Fig nstelvoorschriften tussen regelparameters bij P-regelaars zonder zelfregeling. Fig nstelvoorschriften bij PlO-regelaars zonder zelfregeling. 0,5 \. ' 0, 0,4 0,6 0, 0,4 0,6 O-aclie NSTELREGELS Pressier onderzocht eveneens regelkringen waarin processen met integrerend karakter, of niet zelfregelende processen voorkomen. De kenmerkende eigenschappen worden vastgelegd in de dode tijd. T d, en de snelheid kt waarmee de proceswaarde verandert nadat y met een stap veranderd wordt. n fig zijn de instelvoorschriften weergegeven voor een P-regelaar zonder zelfregeling en in fig voor een PlO-regelaar. Uit het stapantwoord van het proces moet dus eerst de helling van de grafiek bepaald worden en de dode tijd. Zie hiervoor par. 3 en fig om de parameters kj en T d te bepalen. De instelvoorschriften steunen op het TAE-criterium dat beschreven is op blz Afregelprocedure : 1. Stapantwoord opnemen van het proces.. Bepaal de dode tijd T d 3. Bepaal de helling kt 4. Bepaal het product kt T d 5. Lees af uit de grafieken: k R ~ waaruit T n waaruit Tv 199

16 NSTELREGELS 11. nstelvoorschriften voor processen van hogere orde 4,, 3 P-regelaar 1\ \ \, P de he \, o!!!. Td n \\ 5 \\ -at.q 4 '\. 3 "" ~ 1 o -~ n Fig. 11.q' ;nstelvoorschriften voor P-regelaar n functiè van orde van proces PlO-rage aar, 6 \ 4 \ \.'" \ p.c,ie "... ~ o n Tn Td, 1,5 0,5 o Tv Td 1,5 0,5 o... " "' " '... j ach n, 'i\ Q-acl '0 " ~ n x proces van 1 e orde x w X T J~ :j d,. proces van hogere orde T --J~---:J ,1 ~ w 0,1 storingsresponsie (0 storingsresponsie Fig Zelfde parameters bij een proces van eerste orde en van hogere orde n alle voorgaande voorschriften zijn de procesparameters van processen van hogere orde afgeleid uit een benaderingsvoorstelling van het eigenlijke procesantwoord door de constructie van de raaklijn in het buigpunt. Zoals in fig is weergegeven. Zo kan bijvoorbeeld een proces van hogere orde een zelfde tijdconstante en dode tijd opleveren als een proces van eerste orde. De werkelijke karakteristieke verschillen echter aanzienlijk. Vergelijk de dode tijd van een proces van eerste orde met die van een hogere orde in fig a en b. Als we dan in beide processen de regelaar met dezelfde regelparameters instellen om een bepaald regelcriterium te bekomen, moet het ons niet verwonderen, dat we voor het proces van hogere orde een ongunstiger uitregelverloop kunnen krijgen. Daarom is de storingsresponsie in fig c veel gunstiger dan in fig.11.19d. n het werk van STREJC wordt aangetoond dat met voldoende nauwkeurigheid de volgende betrekking kan opgesteld worden tussen de verhouding van tijdconstante T en dode tijd T d en de orde n van het proces: n de grafieken van fig en 11.1 zijn de instelparameters van de regelaars gegeven in functie van de orde van het proces. Dit levert voor hogere orden een juistere instelling op. Bij het lezen van de grafieken geeft de volle lijn de instellingen voor een goede responsie op een storing terwijl de streeplijn de instellingen voor een goede responsie op het verstellen van de gewenste waarde w weergeeft. Afregelprocedure : proces antwoord eerst optekenen Bepaal k s ' T n, T d Bepaal de orde Td/T. Bepaal de orde n. Lees op de grafieken af: k s k R ~ waaruit k R Tn/T d ~ waaruit T n Fig nstelvoorschriften PD-regelaar in functie van orde van proces TJ T d ~ waaruit Tv 00

17 NSTELREGELS 1. Engelse woordenlijst Procedure van TAYLOR controller slide : slede, chassis van de regelaar reset : -actie pre act : D-actie deviation meter pointer : wijzer van de meter die de afwijking w - x meet cycle : een volledige cyclus, dus pos. + neg. alternantie gain : versterking van de P-regelaar increase : verhogen decrease : verlagen set pointer : aanduiding van de gewenste waarde w nstelvoorschriften van FOXBORO ntegral dial Derivative dial set point upscale down scale : schaal voor de -actie : schaal voor de D-actie : gewenste waarde : omhoog op de schaal : omlaag op de schaal Stad Antwerpen cycling : oscilleren. Stedelijk Lyceum previous value : voorgaande waarde Hoofdnstellng : ntegral controller : -regelaar Paardenmarkt ANTWERPEN Derivative controller : D-regelaar Tel. 03/ Fax 03/ Proportional controller : P-regelaar small step change transfer switch measurement (value) output safe low value : kleine stap verandering : omschakelaar : gemeten waarde, proceswaarde (x) : uitgang van de regelaar (y) : veilige lage waarde. 13. Zelf instellende regelaars De evolutie van de elektronica in de ontwikkeling van de regelaars heeft het mogelijk gemaakt dat regelaars zelf de parameterwaarden kunnen instellen. Veel hedendaagse regelaars beschikken over deze mogelijkheid die men wel of niet gebruiken kan. De volgende concepten worden gebruikt: 1. Self-tuning of easy tune principe. De uitgang van de regelaar genereert zelf een stapsprong in de manual mode om zo de responsiecurve van het proces te bekomen. De microprocessor bepaalt hieruit de procesparameters en de parameters van de regelaar om een uitregeling te bekomen volgens een bepaald regelcriterium. De regelaar past automatisch zijn regelparameters aan, gaat over in AUT en vervolgt de regelwerking.. Adaptief regelprincipe Vee'l processen beschikken niet over een lineaire statische karakteristiek. Het niveau in een cilindrische ton die horizontaal ligt stijgt niet lineair met het toevoer. Als het niveau op de helft staat is de stijging trager dan in het begin en op het einde. Afhankelijk van het niveau zal dus de versterking van de regelaar aangepast moeten worden, zo ook de andere parameters. Een identificatieschakeling meet de nodige gegevens in het proces en zorgt er dan voor dat de parameters aangepast worden. Meer over deze zelfregelende principes vindt je in de nieuwe uitgave: Regeltechniek-procestechnieken. 01

18 NSTELREGELS 14. Opdrachten 1. Van een bepaald proces werd in open kring het hiernaast getekende stapantwoord geregistreerd. De input van het proces werd met 10% veranderd. Men wenst een PD-regelaar te gebruiken voor dit proces. a. Bepaal de instelparameters volgens de formules als de 7 procesparameters gekend zijn. mln. 50% 60% 6 " b. Bepaal de parameters volgens de grafieken van Pressier. (criterium van het absoluut regeloppervlak)!.y= 10% 5 c. Bepaal de parameters volgens de grafieken van Schäfer voor een sterker gedempt uitregelen. 4 / / d. Bepaal de parameters rekening houdend met de orde van het proces, volgens Strejc. 3 V papier /J Fig. 11. Procesantwoord geregistreerd met een beweging { penrecorder 1... ~ Formules als de procesparameters gekend zijn: k _ 1,.i R-. T n =. T d T v =0,5. T d k s T d Gegevens volgens Pressier en Schäfer. Tn kr ks Td / / // 8 8 T. // Td / / J V,,~ 6 6 0,6.-,/ ~,.,- 0 / volle lijn: storingsgedrag streeplijn: set-point verandering { dikke lijn: Schäfer, dunne lijn: Pressier ~,,/,,'...,-.::-:~ ~ /" ~ ~, ~~,.,ó"'" ~ 4 4 0,4 tr ~~." T T T Td Td Td -,8 P-aclle -,8 l-acle i+-,8 D-acfi~ 0 CV J ~ Gegevens volgens Strejc Tn kr.ks!!. storing T; Td ~'.. 6 1,5 " \ '. 1,5 '... "'lll " r\.... ~ 1... "', ", ~ ' set-point 0,5 O,S n n n i+-4,5 P-aclle _4,5 l--actie -4,5 D-aebe 0 0 CD Fig Grafieken voor het oplossen van opdracht 1 0

19 NSTELREGELS Oplossing en bespreking van opdracht 1 Uit het procesantwoord van fig. 11. volgt: T=4,5 min T d = 1,5 min ks = 1,4 De verhouding T/T d wordt: T/T d =,83 De procesorde volgens Strejc wordt dus: 10 n= T d /T =-+ 1 = 4,5,83 Uit de grafieken van fig vinden we de volgende resultaten. Doe zelf de controle. k R Tn (min) Tv (min) A. Formules met gekende procesparameters k R =,4 Tn=3 Tv = 0,75 k R ks ka Tn/T d Tn TJT d Tv Pressier (dunne lijn) 8. set-point (streeplijn),5 1,8 3 4,5 0,37 0,5 storing (volle lijn) 3,,3 1,5,5 0,4 0,6 Schäfer (dikke lijn) C. set-point (streeplijn) 1,7 1, 3,7 5,5 0,33 0,5 storing (volle lijn) 3,,3 1,8,7 0,33 0,5 Strejc D. set-point (streeplijn) 1,9 1,3 1,75,6 1,1 1,6 storing (volle lijn) 3,5,5 1 1,5 1,3 1, Vergelijken we A met de instellingen van Pressier en Schäfer dan zien we een grotere versterking in A. De -actie van A ligt tussen de waarden voor het set-point gedrag en het stoorgedrag van Pressier en Schäfer. Daarbij is de D-actie van A iets krachtiger ingesteld. Opvallend is ook dat ten opzichte van het set-point gedrag, de P, de en de D-actie bij het storingsgedrag sterker zijn ingesteld. De keuze van de instellingen hangt dus af van het feit of men de voorkeur geeft aan een aanvaardbaar uitregelen voor het set-point gedrag of voor het stoorgedrag. De instellingen van Schäfer hebben de bedoeling de uitregeling iets meer gedempt te doen verlopen. Dit komt goed tot uiting in de lagere waarde voor de versterking en de hogere waarde voor de na-insteltijd. Opvallend bij Strejc is de vrij lage waarden van de -actie, dus een krachtige -actie, gekoppeld aan de vrij hoge waarden van de D-actie of een krachtige D-actie.. Bespreek de procedure die gevolgd moet worden voor het instellen van regelaar en proces volgens Ziegler-Nicholz als de procesparameters niet gekend zijn. (de tabel voor de instellingen wordt niet gevraagd.) Welk bezwaar kan er zijn voor deze methode? 3. Als een blijvende oscillatie in het proces niet toegelaten is, dan kan een variante van de Ziegler-Nicholz oscillatiemethode toegepast worden, namelijk de tuning procedure volgens een demping van 4 : 1, zoals beschreven door TAYLOR. Geef deze procedure. 4. Bespreek de probeer- en verfijnmethode (trial and error) voor de P-regelaar. 03

20 NS TEL REGELS DGTAL NDCATOR READNG SET PONT PROCESS VAR ABLE BAR GRAPH OUTPUT NDCATOR BAR GRAPH Fig Regelaar van Fischer en Porter. DGiT AL DSPLAY SELECTOR SET PONT SELECTOR REMOTE / LOCAL RASE/LOWER SET PONT ADJUSTMENT AUTO/ MAN ual SET PONT BAR GRAPH NCREASE /DECREASE MANUAL OUTPUT ADJUSTMENT ALARM SET PONT STATUS sr 5769 n fig zien we een uitgetrokken regelaar van Fischer en Porter. Aan de zijkant zien we duidelijk de keuzetoetsen voor het instellen van de parameters PB procentuele prop. band T R reset time (na-insteltijd T n ) T o diff. time (voor-insteltijd Tv) Het instellen van de waarde gebeurt met de numerieke toetsen. De display voor de waarde aanduiding is boven rechts. n fig is het frontpaneel weergegeven met de voornaamste functies. Fig Voorpaneel 04